ELEKTROWNIE_W4.pdf

3.9 Rola walczaka w kotle

Walczak stanowi stałe miejsce (w ciągu technologicznym wytwarzania pary) oddzielania pary

od wody. Walczak spełnia dwojaką rolę:

dzięki niemu do przegrzewacza płynie para nasycona sucha,

para przechodząca do przegrzewaczy pozbawiona jest soli.

Mieszanina parowowodna, opuszczając rury wznoszące, jest zanieczyszczona róŜnymi solami

doprowadzonymi do kotła wraz z wodą zasilającą. Woda rozpuszcza sole alkaliczne i krzemionkę w

całym zakresie ciśnień. Natomiast para te sole rozpuszcza przy ciśnieniach powyŜej 4 MPa. Zatem

sole zawarte w parze odkładają się na powierzchniach przy ciśnieniach poniŜej 4 MPa, czyli przede

wszystkim na częściach przepływowych turbiny, powodując zmniejszenie ich przekrojów

przelotowych.

Kropelki wody zawarte w parze (wilgoć) są nośnikiem soli z wody do pary. Para, uchodząc z

walczaka do przegrzewacza, porywa kropelki wody, które nie tylko przenoszą sól, lecz z uwagi na

duŜo większą przejmowalność ciepła wody niŜ pary powodują gwałtowniejsze schładzanie rur

przegrzewacza (powstają szoki termiczne). Zatem zabezpieczenie przed porywaniem wody do

przegrzewacza jest waŜnym zadaniem walczaka. Aby wytrącić kropelki, prędkość pary wilgotnej w

przestrzeni parowej nad lustrem wody powinna być mała, czyli powierzchnia zwierciadła wodnego

duŜa . Celem wydłuŜenia drogi oddzielania kropelek wody od pary (separacji pary) stosuje się

walczaki o średnicy do 16001800 mm przy grubościach ścianek 80120 mm, co stwarza określone

problemy technologiczne. Przy niŜszych ciśnieniach róŜnica gęstości wody i pary jest duŜa, więc

pod wpływem sił grawitacyjnych kropelki wody oddzielają się od pary. Przy większych ciśnieniach

proces ten zanika i w celu zwiększenia intensywności separacji w walczaku są zabudowane

specjalne urządzenia separacyjne ( Ŝaluzje , cyklony , siatki itp.). Pozostająca w wodzie kotłowej

sól zwiększa jej zasolenie i musi być w sposób ciągły odprowadzana z walczaka ( odsalanie kotła ).

Odprowadzanie soli z walczaka odbywa się bezpośrednio spod lustra wody.

Fot. Walczak

3.10. Kotły walczakowe

Średnią prędkość przepływu czynnika w rurach parownika dla obiegu naturalnego moŜna wyrazić

przybliŜoną zaleŜnością:

gdzie

Ρ ’ – gęstość wody w stanie nasycenia,

Ρ ” – gęstość pary nasyconej suchej,

Λ t zastępczy współczynnik tarcia w rurach całego konturu,

Ζ z – zastępczy współczynnik oporów miejscowych,

H – róŜnica wysokości konturu (rys. 3.18 a)

d z zastępcza średnica wewnętrzna rury całego konturu,

x z zastępcza wartość stopnia suchości mieszaniny w konturze.

Z wzoru powyŜszego wynika, Ŝe ze wzrostem stosunku Ρ ’ /Ρ ” wzrasta prędkość w . Podobnie

zwiększenie róŜnicy wysokości konturu H powoduje wzrost w . Dla kotłów niskociśnieniowych, dla

których Ρ ’ /Ρ ” są duŜe (rys. 3.13), juŜ dla niewielkich wartości H moŜna zapewnić odpowiednie

prędkości przepływu w . Wzrost obciąŜenia cieplnego komory paleniskowej powoduje zwiększenie

stopnia suchości pary (wzór 3.9) i wzrost prędkości w . Jednak ze wzrostem stopnia suchości x

gęstość mieszaniny Ρ m maleje i następuje pogorszenie warunków chłodzenia rur parownika. Zatem

ze wzrostem obciąŜenia cieplnego moŜe dojść do niebezpiecznego wrzenia błonowego. Dlatego teŜ

dla kotłów z obiegiem naturalnym suchość pary x na wylocie z rur wznoszących nie moŜe

przekroczyć 0,2 . Zatem krotność cyrkulacji nie moŜe być mniejsza niŜ 5 . Ze wzrostem ciśnienia

ciepło parowania r maleje, a suchość pary x wzrasta. Aby zachować warunek x ≤ 0,2, wartość

ciśnienia w parowniku p ≤17 MPa.

Przy ciśnieniach wysokich, np. 20 MPa, stosunek gęstości Ρ ’ /Ρ ” szybko maleje, zmniejsza się

prędkość przepływu czynnika w rurach parownika. MoŜe wystąpić wrzenie błonowe. Trzeba

wówczas stosować w parowniku obieg wspomagany . Przetłaczany przez pompę duŜy strumień

masy zrywa powstającą na ściance rur błonę parową, zapewniając ich odpowiednie chłodzenie.

Stopień suchości pary x na wylocie z rur wznoszących wynosi ok. 0,25. Nie licząc pojedynczych

mniejszych kotłów przemysłowych, w Polsce są zainstalowane dwa kotły walczakowe z obiegiem

wspomaganym typu AP1650 (bloki 500 MW w Elektrowni Kozienice).

W zakresie ciśnień krytycznych, juŜ dla niewielkich zmian ciśnienia, zmiany gęstości wody są tak

duŜe, Ŝe warunki pracy pomp obiegowych są bardzo trudne i dlatego obieg z pompą cyrkulacyjną

moŜe być stosowany do ciśnień mniejszych niŜ 21 MPa.

3.11. Kotły bezwalczakowe

Obieg naturalny jest najprostszym i najtańszym sposobem zapewnienia przepływu czynnika w

parowniku. Jednak przy ciśnieniach wyŜszych jest on niewystarczający do zabezpieczenia ekranów

parownika przed uszkodzeniem na skutek wystąpienia miejscowego odparowania. Co prawda

wprowadzenie wspomagania obiegu pompą przewałową usuwa tę wadę, ale pozostaje grubościenny

element kotła, jakim jest walczak, który z uwagi na powstające w nim napręŜenia zdecydowanie

zmniejsza dopuszczalne szybkości rozruchu i zmian obciąŜenia bloku energetycznego. Te względy

m.in. zadecydowały o rozwoju kotłów bezwalczakowych, w których nie ma tak grubościennych

elementów jak walczak. Kotły te są budowane na ciśnienie pod i nadkrytyczne.

W przypadku ciśnień nadkrytycznych w kotle nie ma parownika ciepło parowania r = 0. Kocioł

taki składa się z podgrzewacza wody i przegrzewacza pary, więc zbędny jest walczak

(wodooddzielacz), który nie spełniałby swojej funkcji osuszania pary, poniewaŜ przy ciśnieniach

nadkrytycznych nie występuje pojęcie mieszaniny parowowodnej (gęstości właściwe wody i pary

są jednakowe). Woda o ciśnieniu nadkrytycznym po podgrzaniu w podgrzewaczach do temperatury

t k = 374,15°C natychmiast zamienia się na parę o stopniu suchości x = l.

Grupę kotłów bezwalczakowych obejmują: czysto przepływowe kotły bez wodooddzielaczy

(separatorów) pierwsze kotły systemu Bensona i Ramzina, kotły z wodooddzielaczami oraz tzw.

kotły z wymuszonym obiegiem w parowniku.

Systemy parowników kotłów przepływowych

Kotły czysto przepływowe pracują na zasadzie jednokrotnego przepływu wod y przez układ

wodnoparowy kotła podgrzewanie wody, odparowanie i przegrzanie pary (krotność cyrkulacji

k = 1) czyli zachodzi pełny ciąg technologiczny jak na rysunku 3.16. Od początku lat

dwudziestych XX wieku rozpowszechniły się trzy rozwiązania konstrukcyjne kotłów

przepływowych: Bensona, Sulzera i Ramzina .

Kocioł Bensona był najbardziej rozpowszechnionym kotłem przepływowym. Cechą

charakterystyczną jego obecnej wersji jest pionowy układ opromieniowanych rur parownika w

postaci podzielonych na sekcje ekranów, przez które woda przepływa kolejno, zawsze od dolnej

komory do komory górnej (rys. 3.20). Doprowadzenie wody z komory górnej do komory dolnej

następnej sekcji odbywa się rurami opadowymi 7 . Z ostatniej sekcji rur para o wilgotności 1020%

przechodzi do tzw. strefy przejściowej 5 , umieszczonej w obszarze niŜszych temperatur spalin,

gdzie następuje całkowite odparowanie i wydzielenie się soli poniewaŜ brak walczaka (separatora)

uniemoŜliwia przeprowadzanie ciągłego odsalania. Rury z odłoŜonymi w nich solami są mniej

naraŜone na ich szkodliwe działanie w obszarze niŜszych temperatur spalin niŜ w komorze

paleniskowej.

Rys. 3.20. Schematy kotła przepływowego Bensona

l podgrzewacz wody; 2 ekrany parownika; 3,4 przegrzewacz pary; 5 strefa przejściowa; 6

wodooddzielacz; 7 rury opadowe;

Z analizy zaleŜności opisujących krotność cyrkulacji kotła wynika, Ŝe przy wydajnościach kotłów

ponad 500 kg/s (1800 t/h) komora moŜe być wyłoŜona rurami pionowymi bez nawrotów. Celem

uniknięcia uciąŜliwych nawrotów stosuje się układ rur nawiniętych spiralnie wokół ścian komory

paleniskowej (kocioł Ramzina).

W przedstawionej postaci kocioł Bensona jest kotłem z nieustaloną strefą odparowania, co

powoduje, Ŝe nie moŜna ich odsalać w sposób ciągły. Wymaga to zasilania kotłów wodą wysokiej

jakości, a przede wszystkim podczas rozruchu kotła nie ma moŜliwości zasilania przegrzewacza

parą suchą, co jest cenną zaletą kotła walczakowego. Dlatego w kotle Sulzera (rys. 3.18ef) na końcu

parownika, gdzie para jest jeszcze wilgotna, znajduje się wodooddzielacz (separator) typu

cyklonowego , którego zadanie jest podobne do zadania walczaka. PoniewaŜ suchość pary na

wyjściu parownika jest bardzo duŜa, więc pojemność wodooddzielacza jest niewielka.

Wodooddzielacz stanowi rura o średnicy wewnętrznej 800 mm i wysokości 1830 m. Wysokość

mniejsza jest stosowana w układzie z rysunku 3.18e, a większa w przypadku występowania obiegu

wymuszonego w parowniku w całym zakresie obciąŜeń (rys. 3.18f). Mieszanina parowowodna

wprowadzona stycznie do tworzącej ściany bocznej wykonuje ruch wirowy odseparowana para

przechodzi do góry, a krople wody na dół. Wytrącona z pary woda jest doprowadzana z

wodooddzielacza do zbiornika wody zasilającej lub pomp obiegowych rozruchowych. MoŜe być

odsalana. Zastosowanie wodooddzielacza pozwala na prowadzenie rozruchu z suchym

przegrzewaczem , co ułatwia częste i szybkie rozruchy kotła.

W obecnie budowanych kotłach przepływowych są wykorzystywane najlepsze cechy omówionych

wyŜej typów kotłów. Stosuje się systemy ekranowania Bensona i Ramzina z wodooddzielaczami,

system Sulzera z wodooddzielaczem i nieustaloną strefą odparowania itp.

Kocioł z wymuszonym obiegiem parownika

Idea jest podobna jak w kotle walczakowym ze wspomaganą cyrkulacją, przy czym inny jest

wzajemny układ pompy zasilającej i pompy obiegowej. Stopień suchości mieszaniny parowo

wodnej na wylocie z rur parownika x = 0,60,9 (krotność cyrkulacji 1,71,1), więc objętość

wodooddzielacza jest zdecydowanie mniejsza od objętości walczaka.

Kocioł z wymuszonym obiegiem w parowniku ma zalety kotła walczakowego i kotła

przepływowego. Zasadniczą wadą jest istnienie w układzie parownika pompy obiegowej

(cyrkulacyjnej) , która pracuje w bardzo niekorzystnych warunkach zespół pomp oraz

napędzające je silniki elektryczne są całkowicie zalane wodą kotłową. Kocioł ten moŜe być

budowany o sylwetce dwuciągowej oraz jednociągowej. Sylwetkę jednociągową zastosowano w

kotłach BB1150 i BP11501 o wydajności 320 kg/s (1150 t/h) w Elektrowni Bełchatów i w

Elektrowni Opole dla bloku 360 MW. Kotły te powinny się nazywać „kotły bezwalczakowe z

dodatkowym obiegiem w parowniku", jednak biorąc pod uwagę tradycje firmy kotłowej (Sulzer),

która ten typ kotła opracowała, kotły te nazywa się tradycyjnie kotłami przepływowymi z

dodatkowym obiegiem w parowniku (rys. 3.21).

Rys. 3.21. Schemat obiegu wody i pary w kotle bezwalczakowym z wymuszonym obiegiem w

parowniku

1 podgrzewacz wody; 2 ekrany parownika; 3, 4 przegrzewacz pary; 5 wodooddzielacz; 6 pompa wody

zasilającej; 7 pompa obiegowa; 8 mieszalnik; F g , F w siły działające na cząstki popiołu

3.12. Powierzchnie ogrzewalne

Ekrany

W kotłach z naturalnym obiegiem wody ekrany są zbudowane z pionowych rur umieszczonych na

ścianach komory paleniskowej (rys. 3.22). W celu zapewnienia prawidłowego obiegu wody

stosunek przekroju rur opadowych do przekroju rur wznoszących wynosi od 1:2 do 1:5; im wyŜsze

ciśnienie wody, tym ten stosunek jest większy. Dlatego dla kotłów duŜych stosuje się tzw. centralne

rury opadowe o duŜej średnicy 300500 mm , w liczbie od 2 do kilku sztuk. Średnica wewnętrzna

rur ekranowych wynosi 4878 mm . W kotłach z obiegiem wymuszonym lub w kotłach

przepływowych rury ekranowe o średnicy wewnętrznej 2032 mm są ułoŜone pionowo, poziomo

lub ukośnie.

W starszych rozwiązaniach luźno ułoŜone rury ekranowe były izolowane z zewnątrz materiałami

ceramicznymi (rys. 3.23), tworzącymi obmurze kotła mające za zadanie zmniejszenie do

minimum strat ciepła do otoczenia. Obmurze takie (szamota) było cięŜkie i kocioł właściwy był

usadowiony na fundamencie. CięŜkie obmurze szamotowe charakteryzuje się duŜą pojemnością

cieplną, powodującą wydłuŜenie okresu rozruchowego kotła.

Obecnie wszystkie zespoły kotła właściwego (parownik, przegrzewacze, podgrzewacze wody) są

zawieszone na konstrukcji nośnej opartej na fundamentowanych słupach. W ten sposób powstaje

konstrukcja wisząca mogąca się swobodnie wydłuŜać pod wpływem zmian temperatury przy

czym część dolna kotła jest zawieszona na rurach ekranowanych. Rury ekranowane tworzą ściany

szczelne ( ściany membranowe ). Mogą być stosowane róŜne wykonania: rury przylegające do

siebie (rys. 3.23b), na których jest połoŜona blacha 4 , rury łączone między sobą płaskownikiem lub

rury opłetwione (rys. 3.40c). Rury są izolowane lekkimi materiałami izolacyjnymi, na zewnątrz

pokrytymi blachami ochronnymi, tworzącymi pancerz. Całość tworzy lekką konstrukcję kotła. Rury

muszą tworzyć szczelne ściany, aby zabezpieczyć przed wysoką temperaturą materiał izolacyjny

pokrywający rury, który nie jest tak odporny na działanie temperatury jak wcześniej uŜywane

materiały ceramiczne. Dlatego w takim kotle ścianami membranowymi są pokryte nie tylko ściany

komory paleniskowej, lecz równieŜ ściany tzw. przewału kotła (międzyciągu) i ściany II ciągu.

Lekka izolacja cieplna nowoczesnych kotłów ma małą akumulację cieplną, pozwalającą

zdecydowanie skrócić czasy rozruchów kotłów .

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: